2021学年第十二章 电能 能量守恒定律3 实验：电池电动势和内阻的测量教案设计

这是一份2021学年第十二章 电能 能量守恒定律3 实验：电池电动势和内阻的测量教案设计，共5页。教案主要包含了实验原理，数据处理等内容，欢迎下载使用。


《实验：电池电动势和内阻的测量》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程必修3模块中“电路及其应用”主题下的内容。课程标准要求为：会测量电源的电动势和内阻。《普通高中物理课程标准(2017年版)解读》对课程标准的解读为：学生能利用闭合电路欧姆定律设计“测量电源电动势和内阻”的实验方案，并能通过实际操作测量出电源电动势和内阻，学习有关的电路连接、测量方面的实验操作技能和规范，通过对实验数据的处理体会图像在研究物理中的作用。
本节实验根据闭合电路欧姆定律测量电源的电动势和内阻，通过动脑、动手、合作、分享，学生深化对闭合电路欧姆定律的理解，进一步熟悉用图像处理数据的方法，提高实验操作技能，培养学生的科学探究能力和科学态度。
学生学习了闭合电路欧姆定律内容，知道电源的U-I图像的斜率和截距含义，根据表达式设计测量电动势和内阻的电路原理图。在必修一部分学生多次练习用图像处理数据，分析图像的物理意义。高中生喜欢动手操作，亲自实践，喜爱进行实验探究，在教学中善于利用学生的学习特点引导学生完成电路原理的设计、明确实验操作步骤和用图像法处理实验数据。
1.学生经历实验设计过程，理解测定电源电动势和内阻的实验原理。
2.学生理解实验原理，能完成测量电源电动势和内阻的规范实验操作。
3.学生学习利用U-I图像处理数据并得出电源的电动势和内阻，进一步体会利用图像进行数据处理的方法。
4.学生分析电源电动势和内阻的测量误差，了解实验中减小误差的方法。
教学重点：用电源的U-I图像测量电动势内阻
教学难点：根据闭合电路欧姆定律设计测量电动势和内阻的电路图
教学方法：讲授法、对话教学、启发式教学
复习闭合电路欧姆定律和电源电动势内容。
问题1：闭合回路中的电流与哪些因素有关？写出闭合电路欧姆定律的表达式。
（闭合回路中的电流跟电源的电动势成正比，跟内外电路的电阻之和成反比，I= eq \f(E,R+r) ）
问题2：电动势由什么因素决定？和电源体积大小有关吗？
(电动势由非静电力特性决定，和电源体积无关，例如干电池电动势均为1.5V)
电动势E和内阻r是电源的两个重要参数，本节学习用实验手段测量它们。
方案1 用电压表、电流表测量电动势和内阻
问题1：路端电压U与电动势E、内阻r有何关系？
问题2：根据表达式，需要测量哪些物理量计算电动势和内阻？需要哪些物理器材？
问题3：画出电路原理图。要测量的数据有哪些？如何分析实验数据测量得到电动势和内阻？和同学交流你的想法。
实验原理：
电流表内接 电流表外接
U=-rI+E，U为路端电压，I为通过电源电流，Ir为内电压。移动滑动变阻器滑片，获取多组（I，U）数据，在坐标纸绘制电源的U-I图像，图像纵轴截距表示电动势E，斜率绝对值| eq \f(∆U,∆I) |=r。
实验器材：干电池(2节)、滑动变阻器 、电压表(0~3V)、电流表(0~0.6A)、开关、导线若干
实验步骤：①按电路图连接实物图
②闭合开关前滑动变阻器移至阻值最大处
③闭合开关，逐渐移动滑动变阻器，记录下5(或6)组电压和电流数据
④在坐标纸绘制U-I图像
实验数据处理：
(1)坐标轴起点可以不从0开始，合理设置坐标轴起点和最小分度值，使得数据点占据坐标纸较大的区域。例如图中数据电压最小值大于1.2V，若电压从零开始标度，数据点在坐标纸上方区域，下方坐标纸没有得到利用。为使数据点占据较大区域，可将电压起点设置为1.2V，有利于减小读数误差。
(2)将拟合的直线延长至与纵轴相交，交点数值为电动势E；在图像上选取较远的两点，计算得到图像斜率，为电动势内阻r。
思考与讨论：某同学没有电压表，只有电流表和电阻箱。能利用它们测量电源电动势和内阻吗？若能，画出实验电路图，说明实验原理，并说明如何对数据进行处理。
方案2 用电流表和电阻箱测量电动势内阻
问题1：根据闭合电路欧姆定律，写出电流I的表达式。
问题2：I-R图像是直线吗？说明理由。定性画出I-R图像。
问题3：如何对测量的实验数据进行处理？能根据测量数据计算路端电压U，画出U-I图像吗？
问题4：在探究加速度a与质量m关系实验中，为验证a与m是否成反比，可先验证a与 eq \f(1,m)是否成正比，用到了化曲为直思想。本实验中I-R图像若不是直线，你能尝试将图像化成直线吗？
实验原理：电流表示数I= EQ \F(E,R+r) ，测量得到两组(R，I)数据即可计算出电动势和内阻。为减小实验误差，要测量多组（至少5组）数据。
数据处理：
方法1 测量得到多组（I，R）数据，路端电压U=IR，计算得到电阻为R时的路端电压U，得到多组（I，R）数据。根据（I，U）数据绘制电源的U-I图像，从图像求出电动势和内阻。
表 SEQ 表 \* ARABIC 1 实验数据记录表格
方法2 化曲为直
I= EQ \F(E,R+r) → R=E eq \f(1,I) -r
以R- EQ \F(1,I) 图像为直线，斜率表示电源 电动势E，纵轴截距表示（-r）。
方案3：利用电压表和电阻箱测量电动势和内阻
数据处理：通过电源电流等于电压表与电阻箱阻值的比值，即I= EQ \F(U,R) ，根据（R，U）数据得到（I，U）数据，绘制U-I图像，根据图像求电源电动势和内阻。
表 SEQ 表 \* ARABIC 2 实验数据记录表格
原理
图像处理数据
电流表-电阻箱
①原理 ②图像线性化
电压表-电阻箱
①原理 ②图像线性化
作业：本章“复习与提高”第5题 (教材102页)
§ 12.3 实验：电池电动势和内阻的测量
一、实验原理
U=-Ir+E
E=IR+Ir
E=U+ EQ \F(U,R)
二、数据处理
（I，U） 描点 作图
纵轴截距为电动势E
斜率绝对值表示r
利用电压表和电流表测量电动势和内阻，教材上绘制的有电路图，为让学生自己设计电路，培养学生的实验设计能力，教学时可以让学生不看教材，让学生在草稿纸上描画电路图。通过学生自己绘制电路，在这一过程可以暴露出学生学习存在的问题，例如学生会思考电流表采用内接或者外接。
化曲为直思想在测量加速度与质量关系实验中使用过该方法，教师提示学生运用这种思想将图像变为直线，需要用到的数学技巧需要学生自己推导变形才能掌握，要让学生自己先尝试就解决问题。R/Ω
I/A
U/V
R/Ω
U/V
I= eq \f(U,R) /A ER \F(U,R)